KR20200070097A - 광대역 레인징 능력들을 갖는 전자 디바이스 - Google Patents

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Abstract

전자 디바이스에 무선 회로부 및 제어 회로부가 제공될 수 있다. 무선 회로부는 위상 안테나 어레이 및 송신 및 수신 포트들을 갖는 무선 주파수 집적 회로를 포함할 수 있다. 어레이는 송신 포트들에 결합되는 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 수신 포트들에 결합되는 제2 세트의 적층된 패치 안테나들을 포함할 수 있다. 집적 회로는 송신 포트들 및 제1 세트의 안테나들을 사용하여, 밀리미터파 주파수들에서 레인징 신호들을 송신할 수 있다. 집적 회로는 수신 포트들 및 제2 세트의 안테나들을 사용하여, 외부 물체로부터 반사된 송신된 레인징 신호들의 반사된 버전을 수신할 수 있다. 제어 회로부는 송신된 신호들 및 수신된 신호들에 기초하여 전자 디바이스와 외부 물체 사이의 거리를 식별할 수 있다.

Description

광대역 레인징 능력들을 갖는 전자 디바이스{Electronic Devices with Broadband Ranging Capabilities}
본 출원은 2019년 9월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/563,658호, 및 2018년 12월 7일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/776,968호에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 이로써 본 명세서에 전체가 참고로서 포함된다.
본 출원은 일반적으로 전자 디바이스들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 회로부를 구비한 전자 디바이스들에 관한 것이다.
전자 디바이스들은 종종 무선 회로부를 포함한다. 예를 들어, 셀룰러 전화기들, 컴퓨터들, 및 다른 디바이스들은, 종종, 무선 통신을 지원하기 위해 안테나들 및 무선 송수신기들을 포함한다. 전자 디바이스들은 또한 종종 송신 및 반사된 무선 주파수 신호들이 전자 디바이스와 외부 물체 사이의 거리를 식별하기 위해 사용되는 공간 레인징(spatial ranging) 동작들을 수행하기 위한 무선 회로부를 포함한다.
10 ㎓ 내지 300 ㎓ 사이의 밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서의 공간 레인징 동작들을 지원하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 주의를 기울이지 않으면, 무선 회로부는 이들 주파수에서 만족스러운 공간 레인징 동작들을 수행하기에 불충분한 대역폭을 나타낼 것이다.
따라서, 비교적 높은 대역폭에서 밀리미터파 및 센티미터파 공간 레인징 동작들을 지원하는 무선 회로부를 갖는 전자 디바이스를 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
전자 디바이스에 무선 회로부 및 제어 회로부가 제공될 수 있다. 무선 회로부 및 제어 회로부는 다중 입력 다중 출력(multiple-input and multiple-output, MIMO) 무선 검출 및 레인징(radio detection and ranging, RADAR) 스킴을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행할 수 있다.
무선 회로부는 송신 포트들 및 수신 포트들을 갖는 무선 주파수 집적 회로를 포함할 수 있다. 밀리미터파 및 센티미터파 송수신기 회로부가 무선 주파수 집적 회로 상에 형성될 수 있다. 위상 제어기들 및 크기 제어기들이 송신 포트들 및 수신 포트들 각각에 결합될 수 있다. 무선 회로부는 무선 주파수 집적 회로에 결합되는 위상 안테나 어레이를 포함할 수 있다.
위상 안테나 어레이는 송신 포트들에 결합되는 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 수신 포트들에 결합되는 제2 세트의 적층된 패치 안테나들을 포함할 수 있다. 제1 세트 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 위상 안테나 어레이의 단일 행에 형성될 수 있거나, 위상 안테나 어레이에 의해 생성된 빔 폭을 좁히기 위한 다수의 동위상(in phase) 적층된 패치 안테나들의 열들을 포함할 수 있다.
무선 주파수 집적 회로는 송신 포트들 및 제1 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여, 밀리미터파 주파수들에서 무선 주파수 레인징 신호들을 송신할 수 있다. 무선 주파수 집적 회로는 수신 포트들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여, 외부 물체로부터 반사된 송신된 무선 주파수 레인징 신호들의 반사된 버전을 수신할 수 있다. 제어 회로부는 송신된 신호들 및 수신된 신호들에 기초하여 전자 디바이스와 외부 물체 사이의 거리를 식별할 수 있다. 제1 세트 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 1 ㎓ 초과의 대역폭들과 같은 비교적 넓은 대역폭들을 지원하도록 위상 안테나 어레이를 구성할 수 있다. 이는 전자 디바이스가 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수들과 같은 비교적 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐 공간 레인징 동작들을 수행하게 할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른, 무선 회로부를 갖는 예시적인 전자 디바이스의 사시도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 무선 회로부를 갖는 예시적인 전자 디바이스의 후방 사시도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 무선 회로부를 갖는 예시적인 전자 디바이스의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 밀리미터파 및 센티미터파 송수신기 회로부가 무선 주파수 송신 라인을 사용하여 안테나에 결합될 수 있는 방식을 도시한 개략도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 신호들의 빔을 지향시키기 위해 제어 회로부를 사용하여 조정될 수 있는 예시적인 위상 안테나 어레이의 도면이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 예시적인 전자 디바이스가 위상 안테나 어레이 및 밀리미터파 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행할 수 있는 방식을 도시한 도면이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른, 밀리미터파 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행하기 위해 위상 안테나 어레이에 제공될 수 있는 예시적인 적층된 패치 안테나 구조물들의 사시도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른, 도 7에 도시된 유형의 예시적인 적층된 패치 안테나 구조물들에 대한 안테나 성능(안테나 효율)의 플롯이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른, 밀리미터파 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행하기 위해 예시적인 위상 안테나 어레이가 전용 송신 안테나들 및 전용 수신 안테나들을 포함할 수 있는 방식을 도시한 도면이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 예시적인 위상 안테나 어레이가 밀리미터파 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행하기 위해 다수의 동위상 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 열들을 포함할 수 있는 방식을 도시한 도면이다.
도 1의 전자 디바이스(10)와 같은 전자 디바이스는 무선 회로부를 포함할 수 있다. 무선 회로부는 하나 이상의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나들은 밀리미터파 및 센티미터파 신호들을 사용하여 무선 통신 및/또는 공간 레인징 동작들을 수행하기 위해 사용되는 위상 안테나 어레이들을 포함할 수 있다. 때때로 극고주파수(extremely high frequency, EHF) 신호들로 지칭되는 밀리미터파 신호들은 약 30 ㎓ 초과의 주파수에서(예를 들어, 60 ㎓ 또는 약 30 ㎓ 내지 300 ㎓의 다른 주파수들에서) 전파된다. 센티미터파 신호들은 약 10 ㎓ 내지 30 ㎓의 주파수들에서 전파된다. 원하는 경우, 디바이스(10)는 또한 위성 내비게이션 시스템 신호들, 셀룰러 전화 신호들, 로컬 무선 영역 네트워크 신호들, 근거리 통신들, 광 기반 무선 통신들, 또는 다른 무선 통신들을 처리하기 위한 안테나들을 포함할 수 있다.
전자 디바이스(10)는, 랩톱 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 디바이스, 임베디드 컴퓨터를 포함하는 컴퓨터 모니터, 태블릿 컴퓨터, 셀룰러 전화, 미디어 플레이어, 또는 다른 핸드헬드 또는 휴대용 전자 디바이스, 더 작은 디바이스, 예컨대 손목시계 디바이스, 펜던트(pendant) 디바이스, 헤드폰 또는 이어피스(earpiece) 디바이스, 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋 디바이스, 안경 또는 사용자의 머리에 착용되는 다른 장비에 내장된(embedded) 디바이스, 또는 다른 웨어러블(wearable) 또는 소형 디바이스, 텔레비전, 임베디드 컴퓨터를 포함하지 않는 컴퓨터 디스플레이, 게이밍 디바이스, 내비게이션 디바이스, 디스플레이를 구비한 전자 장비가 키오스크(kiosk) 또는 자동차 내에 장착되어 있는 시스템과 같은 임베디드 시스템, 무선 액세스 포인트 또는 기지국, 데스크톱 컴퓨터, 휴대용 스피커, 키보드, 게이밍 제어기, 게이밍 시스템, 컴퓨터 마우스, 마우스패드, 트랙패드 또는 터치패드, 이러한 디바이스들 중 둘 이상의 디바이스들의 기능을 구현하는 장비, 또는 다른 전자 장비일 수 있다. 도 1의 예시적인 구성에서, 디바이스(10)는 셀룰러 전화기, 미디어 플레이어, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 스피커, 또는 다른 휴대용 컴퓨팅 디바이스와 같은 휴대용 디바이스이다. 원하는 경우, 디바이스(10)를 위한 다른 구성들이 사용될 수 있다. 도 1의 예는 단지 예시적일 뿐이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 디스플레이(8)와 같은 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이(8)는 하우징(12)과 같은 하우징 내에 장착될 수 있다. 때때로 인클로저 또는 케이스로 지칭될 수 있는 하우징(12)은 플라스틱, 유리, 세라믹, 섬유 복합재들, 금속(예를 들어, 스테인리스강, 알루미늄 등), 다른 적합한 재료들, 또는 이들 재료들 중 임의의 2개 이상의 조합으로 형성될 수 있다. 하우징(12)은, 하우징(12)의 일부 또는 전부가 단일 구조물로서 기계가공 또는 성형되는 일체형 구성을 사용하여 형성될 수 있거나, 또는 다수의 구조물들(예를 들어, 내부 프레임 구조물, 외부 하우징 표면들을 형성하는 하나 이상의 구조물들 등)을 사용하여 형성될 수 있다.
디스플레이(8)는, 전도성 용량성 터치 센서 전극들의 층 또는 다른 터치 센서 컴포넌트들(예를 들어, 저항성 터치 센서 컴포넌트들, 음향 터치 센서 컴포넌트들, 힘 기반 터치 센서 컴포넌트들, 광 기반 터치 센서 컴포넌트들 등)을 통합하는 터치 스크린 디스플레이일 수 있거나, 또는 터치 감응형이 아닌 디스플레이일 수 있다. 용량성 터치 센서 전극들은 인듐 주석 산화물 패드들의 어레이 또는 다른 투명 전도성 구조물들로 형성될 수 있다.
디스플레이(8)는 액정 디스플레이(LCD) 컴포넌트들로 형성된 디스플레이 픽셀들의 어레이, 전기 영동 디스플레이 픽셀들의 어레이, 플라즈마 디스플레이 픽셀들의 어레이, 유기 발광 다이오드 디스플레이 픽셀들의 어레이, 전기습윤 디스플레이 픽셀들의 어레이, 또는 다른 디스플레이 기술들에 기초한 디스플레이 픽셀들을 포함할 수 있다.
디스플레이(8)는 투명(transparent) 유리, 투명한(clear) 플라스틱, 사파이어, 또는 다른 투명 유전체와 같은 디스플레이 커버 층을 사용하여 보호될 수 있다. 디스플레이 커버 층 내에 개구들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 버튼들, 지문 센서 또는 광 센서와 같은 센서 회로부, 스피커 포트 또는 마이크로폰 포트와 같은 포트들 등을 수용하기 위해 디스플레이 커버 층 내에 개구들이 형성될 수 있다. 통신 포트들(예를 들어, 오디오 잭 포트, 디지털 데이터 포트, 충전 포트 등)을 형성하기 위해 하우징(12) 내에 개구들이 형성될 수 있다. 하우징(12) 내의 개구들은 또한 스피커 및/또는 마이크로폰과 같은 오디오 컴포넌트들을 위해 형성될 수 있다.
안테나들이 하우징(12) 내에 장착될 수 있다. 원하는 경우, 안테나들 중 일부(예를 들어, 빔 조향(beam steering)을 구현하는 안테나 어레이들 등)는 디스플레이(8)의 비활성 경계 영역 아래에 장착될 수 있다(예를 들어, 도 1의 예시적인 안테나 위치들(6) 참조). 디스플레이(8)는 픽셀들의 어레이를 갖는 활성 영역(예를 들어, 중심 직사각형 부분)을 포함할 수 있다. 디스플레이(8)의 비활성 영역들은 픽셀들을 갖지 않으며 활성 영역에 대한 경계들을 형성할 수 있다. 원하는 경우, 안테나들은 또한 하우징(12)의 후방에서, 또는 디바이스(10) 내의 다른 곳의 유전체-충전 개구들을 통해 동작할 수 있다.
사람의 손 또는 사용자의 다른 신체 부분과 같은 외부 물체가 하나 이상의 안테나들을 차단하는 경우 통신을 방해하는 것을 회피하기 위해, 안테나들이 하우징(12) 내의 다수의 위치들에 장착될 수 있다. 하나 이상의 안테나들이 하우징(12)의 배향, 사용자의 손 또는 다른 외부 물체에 의한 차단, 또는 다른 환경적 요인들로 인해 유해한 영향을 받고 있는 경우를 결정하는 데 있어서, 근접 센서 데이터, 실시간 안테나 임피던스 측정들, 수신 신호 강도 정보와 같은 신호 품질 측정들과 같은 센서 데이터 및 다른 데이터가 사용될 수 있다. 이어서, 디바이스(10)는 유해한 영향을 받고 있는 안테나들 대신에 하나 이상의 대체 안테나들을 사용하도록 스위칭할 수 있다.
안테나들은 하우징(12)의 코너들에(예를 들어, 도 1의 코너 위치들(6) 및/또는 하우징(12)의 후방 상의 코너 위치들에), 하우징(12)의 주변 에지들을 따라, 하우징(12)의 후방 상에, 디스플레이 커버 유리 또는 디스플레이(10)의 전방 상의 디스플레이(8)를 커버 및 보호하기 위해 사용되는 다른 유전체 디스플레이 커버 층 아래에, 하우징(12)의 후면 상의 유전체 윈도우 또는 하우징(12)의 에지 아래에, 또는 디바이스(10) 내의 다른 곳에 장착될 수 있다.
도 2는 안테나들(예를 들어, 단일 안테나들 및/또는 위상 안테나 어레이들)이 디바이스(10) 내에 장착될 수 있는 하우징(12)의 후방 및 측부 상의 예시적인 위치들(6)을 도시한 전자 디바이스(10)의 후방 사시도이다. 안테나들은 디바이스(10)의 코너들에, 측벽들(12E)에 의해 형성된 에지들과 같은 하우징(12)의 에지들을 따라, 후방 하우징 벽(12R)의 상하부들 상에, 후방 하우징 벽(12R)의 중심에(예를 들어, 후방 하우징 벽(12R)의 중심의 유전체 윈도우 구조물 또는 다른 안테나 윈도우 아래에), 후방 하우징 벽(12R)의 코너들에(예를 들어, 하우징(12) 및 디바이스(10)의 상부 좌측 코너, 상부 우측 코너, 하부 좌측 코너 및 하부 우측 코너 상에) 등에 장착될 수 있다.
하우징(12)이 유전체(예를 들어, 플라스틱, 유리, 사파이어, 세라믹, 직물 등)로 전체적으로 또는 거의 전체적으로 형성되는 구성들에서, 안테나들은 유전체의 임의의 적합한 부분을 통해 안테나 신호들을 송신 및 수신할 수 있다. 하우징(12)이 금속과 같은 전도성 재료로 형성되는 구성들에서, 금속 내의 슬롯들 또는 다른 개구들과 같은 하우징의 영역들이 플라스틱 또는 다른 유전체로 충전될 수 있다. 안테나들은 개구들 내의 유전체와 정렬되어 장착될 수 있다. 때때로 유전체 안테나 윈도우들, 유전체 갭들, 유전체-충전 개구들, 유전체-충전 슬롯들, 세장형 유전체 개구 영역들 등으로 지칭될 수 있는 이들 개구들은, 안테나 신호들이 디바이스(10)의 내부 내에 장착된 안테나들로부터 외부 무선 장비로 송신되게 할 수 있고, 내부 안테나들이 외부 무선 장비로부터 안테나 신호들을 수신하게 할 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 안테나들은 하우징(12)의 전도성 부분들의 외부 상에 장착될 수 있다.
도 1 및 도 2는 단지 예시적인 것이다. 일반적으로, 하우징(12)은 임의의 원하는 형상(예를 들어, 직사각형 형상, 원통형 형상, 구형 형상, 이들의 조합 등)을 가질 수 있다. 도 1의 디스플레이(8)는 원하는 경우 생략될 수 있다. 안테나들은 하우징(12) 내에, 하우징(12) 상에, 그리고/또는 하우징(12) 외부에 위치될 수 있다.
디바이스(10) 내에서 사용될 수 있는 예시적인 컴포넌트들의 개략도가 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 제어 회로부(14)를 포함할 수 있다. 제어 회로부(14)는 저장 회로부(20)와 같은 저장장치(storage)를 포함할 수 있다. 저장 회로부(20)는 하드 디스크 드라이브 저장장치, 비휘발성 메모리(예를 들어, 플래시 메모리, 또는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive)를 형성하도록 구성된 다른 전기적으로 프로그래밍가능한 판독 전용 메모리), 휘발성 메모리(예를 들어, 정적 또는 동적 랜덤 액세스 메모리) 등을 포함할 수 있다. 제어 회로부(14)는 프로세싱 회로부(22)와 같은 프로세싱 회로부를 포함할 수 있다. 프로세싱 회로부(22)는 디바이스(10)의 동작을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 프로세싱 회로부(22)는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 디지털 신호 프로세서들, 호스트 프로세서들, 기저대역 프로세서 집적 회로들, 응용 주문형 집적 회로들, 중앙 처리 유닛들(CPUs) 등을 포함할 수 있다. 제어 회로부(14)는 하드웨어(예를 들어, 전용 하드웨어 또는 회로부), 펌웨어, 및/또는 소프트웨어를 사용하여 디바이스(10)에서의 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 디바이스(10)에서의 동작들을 수행하기 위한 소프트웨어 코드는 저장 회로부(20) 상에 저장될 수 있다(예를 들어, 저장 회로부(20)는 소프트웨어 코드를 저장하는 비일시적 (유형의) 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다). 소프트웨어 코드는 때때로 프로그램 명령어들, 소프트웨어, 데이터, 명령어들, 또는 코드로 지칭될 수 있다. 저장 회로부(20) 상에 저장된 소프트웨어 코드는 프로세싱 회로부(22)에 의해 실행될 수 있다.
제어 회로부(14)는 인터넷 브라우징 애플리케이션들, VOIP(voice-over-internet-protocol) 전화 통화 애플리케이션들, 이메일 애플리케이션들, 미디어 재생 애플리케이션들, 운영 체제 기능들 등과 같은, 디바이스(10) 상의 소프트웨어를 실행하기 위해 사용될 수 있다. 외부 장비와의 상호작용들을 지원하기 위해, 제어 회로부(14)는 통신 프로토콜들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 제어 회로부(14)를 사용하여 구현될 수 있는 통신 프로토콜들은 인터넷 프로토콜들, 무선 로컬 영역 네트워크 프로토콜들(예를 들어, IEEE 802.11 프로토콜들 - 때때로 WiFi®로 지칭됨), Bluetooth® 프로토콜 또는 다른 WPAN 프로토콜들과 같은, 다른 단거리 무선 통신 링크들에 대한 프로토콜들, IEEE 802.11ad 프로토콜들, 셀룰러 전화 프로토콜들, MIMO 프로토콜들, 안테나 다이버시티 프로토콜들, 위성 내비게이션 시스템 프로토콜들, 안테나-기반 공간 레인징 프로토콜들(예를 들어, 무선 검출 및 레인징 (RADAR) 프로토콜들 또는 밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 전달되는 신호들에 대한 다른 원하는 범위 검출 프로토콜들) 등을 포함한다. 각각의 통신 프로토콜은 프로토콜을 구현하기 위해 사용된 물리적 접속 방법론을 특정하는, 대응하는 무선 액세스 기술(radio access technology, RAT)과 연관될 수 있다.
디바이스(10)는 입출력 회로부(16)를 포함할 수 있다. 입출력 회로부(16)는 입출력 디바이스들(18)을 포함할 수 있다. 입출력 디바이스들(18)은 데이터가 디바이스(10)에 공급되게 하기 위해, 그리고 데이터가 디바이스(10)로부터 외부 디바이스들로 제공되게 하기 위해 사용될 수 있다. 입출력 디바이스들(18)은 사용자 인터페이스 디바이스들, 데이터 포트 디바이스들, 센서들, 및 다른 입출력 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입출력 디바이스들은 터치 스크린들, 터치 센서 능력들을 갖지 않는 디스플레이들, 버튼들, 조이스틱들, 스크롤링 휠들, 터치 패드들, 키 패드들, 키보드들, 마이크로폰들, 카메라들, 스피커들, 상태 표시자들, 광원들, 오디오 잭들 및 기타 오디오 포트 컴포넌트들, 디지털 데이터 포트 디바이스들, 광 센서들, 자이로스코프들, 가속도계들 또는 지구에 대한 모션 및 디바이스 배향을 검출할 수 있는 다른 컴포넌트들, 캐패시턴스 센서들, 근접 센서들(예를 들어, 용량성 근접 센서 및/또는 적외선 근접 센서), 자기 센서들, 및 기타 센서들 및 입출력 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
입출력 회로부(16)는 무선 주파수 신호들을 무선으로 전달하기 위한, 무선 회로부(24)와 같은 무선 회로부를 포함할 수 있다. 도 3의 예에서는 명료함을 위해 제어 회로부(14)가 무선 회로부(24)로부터 분리된 것으로 도시되고 있으나, 무선 회로부(24)는 프로세싱 회로부(22)의 일부를 형성하는 프로세싱 회로부 및/또는 제어 회로부(14)의 저장 회로부(20)의 일부를 형성하는 저장 회로부를 포함할 수 있다(예를 들어, 제어 회로부(14)의 부분들이 무선 회로부(24) 상에 구현될 수 있음). 예로서, 제어 회로부(14)는 기저대역 프로세서 회로부, 또는 무선 회로부(24)의 일부를 형성하는 다른 제어 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
무선 회로부(24)는 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)와 같은 밀리미터파 및 센티미터파 송수신기 회로부를 포함할 수 있다. 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 약 10 ㎓ 내지 300 ㎓ 주파수에서의 통신을 지원할 수 있다. 예를 들어, 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 약 30 ㎓ 내지 300 ㎓의 극 고주파수(EHF) 또는 밀리미터파 통신 대역들에서의, 그리고/또는 약 10 ㎓ 내지 30 ㎓의 센티미터파 통신 대역들(때때로 수퍼 고주파수(Super High Frequency, SHF) 대역들로 지칭됨)에서의 통신들을 지원할 수 있다. 예로서, 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 약 18 ㎓ 내지 27 ㎓의 IEEE K 통신 대역, 약 26.5 ㎓ 내지 40 ㎓의 K-a 통신 대역, 약 12 ㎓ 내지 18 ㎓의 Ku 통신 대역, 약 40 ㎓ 내지 75 ㎓의 V 통신 대역, 약 75 ㎓ 내지 110 ㎓의 W 통신 대역, 또는 대략 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 임의의 다른 원하는 주파수 대역에서의 통신을 지원할 수 있다. 원하는 경우, 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 60 ㎓에서의 그리고/또는 27 ㎓ 내지 90 ㎓의 5세대 무선 네트워크들 또는 5세대 무선 시스템들(5G) 통신 대역들에서의 IEEE 802.11ad 통신을 지원할 수 있다. 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 하나 이상의 집적 회로들(예를 들어, 시스템-인-패키지 디바이스 내의 공통 인쇄 회로 상에 장착된 다수의 집적 회로들, 상이한 기판들 상에 장착된 하나 이상의 집적 회로들 등)로부터 형성될 수 있다.
밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)(때때로 본 명세서에서 간단히 송수신기 회로부(28) 또는 밀리미터파/센티미터파 회로부(28)로 지칭됨)는 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)에 의해 송신 및 수신되는 밀리미터파 및/또는 센티미터파 신호들에서의 무선 주파수 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행할 수 있다. 수신된 신호들은 외부 물체들로부터 반사되고 다시 디바이스(10)를 향해 반사된 송신된 신호들의 버전일 수 있다. 제어 회로부(14)는 송신 및 수신된 신호들을 프로세싱하여 디바이스(10)와 디바이스(10)의 주변의 하나 이상의 외부 물체들(예를 들어, 사용자 또는 다른 사람들의 신체, 다른 디바이스들, 동물들, 가구, 벽들, 또는 디바이스(10) 부근의 다른 물체들 또는 장애물들과 같은, 디바이스(10) 외부의 물체들) 사이의 범위를 검출 또는 추정할 수 있다. 원하는 경우, 제어 회로부(14)는 또한 송신 및 수신된 신호들을 프로세싱하여 디바이스(10)에 대한 외부 물체들의 2차원 또는 3차원 공간 위치를 식별할 수 있다.
밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)에 의해 수행되는 공간 레인징 동작들은 단방향이다. 원하는 경우, 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 또한 외부 무선 장비와의 양방향 통신을 수행할 수 있다. 양방향 통신은 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)에 의한 무선 데이터의 송신 및 외부 무선 장비에 의해 송신되었던 무선 데이터의 수신 둘 모두를 수반한다. 무선 데이터는, 예를 들어, 전화 통화, 스트리밍 미디어 콘텐츠, 인터넷 브라우징과 연관된 무선 데이터, 디바이스(10) 상에서 실행되는 소프트웨어 애플리케이션들, 이메일 메시지들과 연관된 무선 데이터와 같은, 대응하는 데이터 패킷들 내로 인코딩된 데이터를 포함할 수 있다.
원하는 경우, 무선 회로부(24)는 비-밀리미터파/비-센티미터파 송수신기 회로부(26)와 같은, 10 ㎓ 미만의 주파수들에서의 통신을 처리하기 위한 송수신기 회로부를 포함할 수 있다. 비-밀리미터파/비-센티미터파 송수신기 회로부(26)는 Wi-Fi® (IEEE 802.11) 통신을 위한 2.4 ㎓ 및 5 ㎓ 대역들을 처리하는 무선 로컬 영역 네트워크(WLAN) 송수신기 회로부, 2.4 ㎓ Bluetooth® 통신 대역을 처리하는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN) 송수신기 회로부, 700 내지 960 ㎒, 1710 내지 2170 ㎒, 2300 내지 2700 ㎒의 셀룰러 전화 통신 대역들, 및/또는 600 ㎒ 내지 4000 ㎒의 임의의 다른 원하는 셀룰러 전화 통신 대역들을 처리하는 셀룰러 전화 송수신기 회로부, 1575 ㎒의 GPS 신호들, 또는 다른 위성 포지셔닝 데이터(예를 들어, 1609 ㎒의 GLONASS 신호들)를 수신하는 GPS 수신기 회로부, 텔레비전 수신기 회로부, AM/FM 무선 수신기 회로부, 페이징 시스템 송수신기 회로부, 근거리 무선 통신(NFC) 회로부 등을 포함할 수 있다. 비-밀리미터파/비-센티미터파 송수신기 회로부(26) 및 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 각각 하나 이상의 집적 회로들, 전력 증폭기 회로부, 저잡음 입력 증폭기들, 수동 무선 주파수 컴포넌트들, 스위칭 회로부, 송신 라인 구조물들, 및 무선 주파수 신호들을 처리하기 위한 다른 회로부를 포함할 수 있다.
무선 회로부(24)는 안테나들(30)을 포함할 수 있다. 비-밀리미터파/비-센티미터파 송수신기 회로부(26)는 하나 이상의 안테나들(30)을 사용하여 10 ㎓ 미만의 무선 주파수 신호들을 송신 및 수신할 수 있다. 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 안테나들(30)을 사용하여 10 ㎓ 초과에서(예를 들어, 밀리미터파 및/또는 센티미터파 주파수에서) 무선 주파수 신호들을 송신 및 수신할 수 있다.
위성 내비게이션 시스템 링크들, 셀룰러 전화 링크들, 및 다른 장거리 링크들에서, 무선 주파수 신호들은 전형적으로 수천 피트 또는 마일에 걸쳐서 데이터를 전달하기 위해 사용된다. 2.4 ㎓ 및 5 ㎓에서의 Wi-Fi® 및 Bluetooth® 링크들 및 다른 단거리 무선 링크들에서, 무선 주파수 신호들은 전형적으로 수십 또는 수백 피트에 걸쳐서 데이터를 전달하기 위해 사용된다. 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 단거리들에 걸쳐서 가시선 경로(line-of-sight path)를 통해 이동하는 무선 주파수 신호들을 전달할 수 있다. 밀리미터파 및 센티미터파 통신에 대한 신호 수신을 향상시키기 위해, 위상 안테나 어레이들 및 빔 조향 기술들(예를 들어, 어레이의 각각의 안테나에 대한 안테나 신호 위상 및/또는 크기가 빔 조향을 수행하도록 조정되는 스킴들)이 사용될 수 있다. 디바이스(10)의 동작 환경으로 인해 차단되었거나 달리 열화된 안테나들이 비사용 상태로 스위칭되고 더 높은 성능의 안테나들이 그들을 대신하여 사용될 수 있도록 보장하기 위해 안테나 다이버시티 스킴들이 또한 사용될 수 있다.
임의의 적합한 안테나 유형들을 사용하여 무선 회로부(24) 내의 안테나들(30)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 안테나들(30)은 적층된 패치 안테나 구조물들, 루프 안테나 구조물들, 패치 안테나 구조물들, 역-F형 안테나 구조물들, 슬롯 안테나 구조물들, 평면형 역-F형 안테나 구조물들, 모노폴 안테나 구조물들, 다이폴 안테나 구조물들, 나선형 안테나 구조물들, 야기(Yagi)(Yagi-Uda) 안테나 구조물들, 이들 설계들의 하이브리드 등으로부터 형성되는 공진 요소들을 갖는 안테나들을 포함할 수 있다. 원하는 경우, 안테나들(30) 중 하나 이상은 공동-배킹된(cavity-backed) 안테나들일 수 있다. 상이한 유형들의 안테나들이 상이한 대역들 및 대역들의 조합들에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 유형의 안테나가 비-밀리미터파/비-센티미터파 송수신기 회로부(26)에 대한 비-밀리미터파/비-센티미터파 무선 링크를 형성하기 위해 사용될 수 있고, 다른 유형의 안테나가 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)에 대한 밀리미터파 및/또는 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 전달하기 위해 사용되는 안테나들(30)은 하나 이상의 위상 안테나 어레이들로 배열될 수 있다.
밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 전달하기 위해 위상 안테나 어레이에 형성될 수 있는 안테나(30)의 개략도가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 안테나(30)는 밀리미터파/센티미터(MM/CM)파 송수신기 회로부(28)에 결합될 수 있다. 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)는 무선 주파수 송신 라인(32)을 포함하는 송신 라인 경로를 사용하여 안테나(30)의 안테나 급전(34)에 결합될 수 있다. 안테나 급전(34)은 포지티브 안테나 급전(feed) 단자(36)와 같은 포지티브(positive) 안테나 급전 단자를 포함할 수 있고, 접지 안테나 급전 단자(38)와 같은 접지 안테나 급전 단자를 포함할 수 있다. 무선 주파수 송신 라인(32)은 포지티브 안테나 급전 단자(36)에 결합되는 신호 전도체(40)와 같은 포지티브 신호 전도체를 포함할 수 있다. 무선 주파수 송신 라인(32)은 접지 안테나 급전 단자(38)에 결합되는 접지 전도체(42)와 같은 접지 전도체를 포함할 수 있다.
무선 주파수 송신 라인(32)은 동축 케이블, 금속화된 비아들에 의해 실현되는 동축 프로브, 마이크로스트립 송신 라인, 스트립라인 송신 라인, 에지-결합 마이크로스트립 송신 라인, 에지-결합 스트립라인 송신 라인들, 도파관 구조물, 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 다수의 유형들의 송신 라인들이 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)를 안테나 급전(34)에 결합하는 송신 라인 경로를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 원하는 경우, 필터 회로부, 스위칭 회로부, 임피던스 정합 회로부, 위상 시프터 회로부, 증폭기 회로부, 및/또는 다른 회로부가 무선 주파수 송신 라인(32) 상에 개재될 수 있다.
디바이스(10) 내의 무선 주파수 송신 라인들은 세라믹 기판들, 강성 인쇄 회로 기판들, 및/또는 가요성 인쇄 회로들에 통합될 수 있다. 하나의 적합한 배열에서, 디바이스(10) 내의 무선 주파수 송신 라인들은 다수의 차원들(예를 들어, 2차원 또는 3차원)로 절첩될 수 있거나 휘어질 수 있고 휨 후에 휘어진 또는 절첩된 형상을 유지하는 다층 라미네이트 구조물들(예를 들어, 접착제를 개재시키지 않고서 함께 라미네이팅되는 구리와 같은 전도성 재료와 수지와 같은 유전체 재료의 층들) 내에 통합될 수 있다(예를 들어, 다층 라미네이트 구조물들은 다른 디바이스 컴포넌트들 둘레로 경로설정하도록 특정한 3차원 형상으로 절첩될 수 있고, 보강재들 또는 다른 구조물들에 의해 제자리에서 유지되지 않고서 절첩 후에 그의 형상을 유지하기에 충분히 강성일 수 있다). 라미네이트 구조물들의 다수의 층들 모두는 (예를 들어, 접착제를 이용하여 다수의 층들을 함께 라미네이팅하기 위해 다수의 가압 프로세스들을 수행하는 것과는 반대로) 접착제 없이 함께 (예를 들어, 단일 가압 프로세스에서) 배치(batch) 라미네이팅될 수 있다.
도 5는 밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 처리하기 위한 안테나들(30)이 위상 안테나 어레이 내에 형성될 수 있는 방식을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 위상 안테나 어레이(48)(때때로 본 명세서에서 어레이(48), 안테나 어레이(48), 또는 안테나들(30)의 어레이(48)로 지칭됨)는 무선 주파수 송신 라인들(32)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 위상 안테나 어레이(48) 내의 제1 안테나(30-1)는 제1 무선 주파수 송신 라인(32-1)에 결합될 수 있고, 위상 안테나 어레이(48) 내의 제2 안테나(30-2)는 제2 무선 주파수 송신 라인(32-2)에 결합될 수 있고, 위상 안테나 어레이(48) 내의 제N 안테나(30-N)는 제N 무선 주파수 송신 라인(32-N)에 결합될 수 있는 등이다. 안테나들(30)이 본 명세서에서 위상 안테나 어레이를 형성하는 것으로 기술되지만, 위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들(30)은 때때로 단일 위상 어레이 안테나를 집합적으로 형성하는 것으로 또한 지칭될 수 있다.
위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들(30)은 임의의 원하는 수의 행들 및 열들로 또는 임의의 다른 원하는 패턴으로 배열될 수 있다(예를 들어, 안테나들은 행들 및 열들을 갖는 그리드 패턴으로 배열될 필요가 없다). 신호 송신 동작들 동안, 무선 주파수 송신 라인들(32)은 무선 송신을 위한 위상 안테나 어레이(48)에 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)(도 4)로부터의 신호들(예를 들어, 밀리미터파 및/또는 센티미터파 신호들과 같은 무선 주파수 신호들)을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 신호 수신 동작들 동안, 무선 주파수 송신 라인들(32)은 (예를 들어, 외부 무선 장비로부터) 위상 안테나 어레이(48)에 수신된 신호들 또는 외부 물체들로부터 반사된 송신된 신호들을 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)(도 4)로 전달하기 위해 사용될 수 있다.
위상 안테나 어레이(48) 내의 다수의 안테나들(30)의 사용은 안테나들에 의해 전달되는 무선 주파수 신호들의 상대적 위상들 및 크기들(진폭들)을 제어함으로써 빔 조향 배열들이 구현될 수 있게 한다. 도 5의 예에서, 안테나들(30)은 각각 대응하는 무선 주파수 위상 및 크기 제어기(46)를 갖는다 (예를 들어, 무선 주파수 송신 라인(32-1) 상에 개재된 제1 위상 및 크기 제어기(46-1)는 안테나(30-1)에 의해 처리되는 무선 주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있고, 무선 주파수 송신 라인(32-2) 상에 개재된 제2 위상 및 크기 제어기(46-2)는 안테나(30-2)에 의해 처리되는 무선 주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있고, 무선 주파수 송신 라인(32-N) 상에 개재된 제N 위상 및 크기 제어기(46-N)는 안테나(30-N)에 의해 처리되는 무선 주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있는 등이다.
위상 및 크기 제어기들(46)은 각각 송신 라인들(32) 상의 무선 주파수 신호들의 위상을 조정하기 위한 회로부(예를 들어, 위상 시프터 회로들) 및/또는 송신 라인들(32) 상의 무선 주파수 신호들의 크기를 조정하기 위한 회로부(예를 들어, 전력 증폭기 및/또는 저잡음 증폭기 회로들)를 포함할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은 때때로 본 명세서에서 집합적으로 빔 조향 회로부(예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)에 의해 송신 및/또는 수신된 무선 주파수 신호들의 빔을 조향하는 빔 조향 회로부)로 지칭될 수 있다.
위상 및 크기 제어기들(46)은 위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들 각각에 제공되는 송신된 신호들의 상대적 위상들 및/또는 크기들을 조정할 수 있고, 위상 안테나 어레이(48)에 의해 수신되는 수신된 신호들의 상대적 위상들 및/또는 크기들을 조정할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은, 원하는 경우, 위상 안테나 어레이(48)에 의해 수신되는 수신된 신호들의 위상들을 검출하기 위한 위상 검출 회로부를 포함할 수 있다. 용어 "빔" 또는 "신호 빔"은 본 명세서에서 특정 방향으로 위상 안테나 어레이(48)에 의해 송신 및 수신되는 무선 신호들을 집합적으로 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 신호 빔은 대응하는 포인팅 각도에서 특정 포인팅 방향으로 (예를 들어, 위상 안테나 어레이 내의 각각의 안테나로부터의 신호들의 조합으로부터의 보강 및 상쇄 간섭에 기초하여) 배향되는 피크 게인(peak gain)을 나타낼 수 있다. 용어 "송신 빔"은 때때로 본 명세서에서 특정 방향으로 송신되는 무선 주파수 신호들을 지칭하기 위해 사용될 수 있는 반면, 용어 "수신 빔"은 때때로 본 명세서에서 특정 방향으로부터 수신되는 무선 주파수 신호들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 위상 및 크기 제어기들(46)이 송신된 무선 주파수 신호들에 대한 제1 세트의 위상들 및/또는 크기들을 생성하도록 조정되는 경우, 송신된 신호들은 포인트 A의 방향으로 배향되는 도 5의 빔 B1에 의해 도시된 바와 같은 송신 빔을 형성할 것이다. 그러나, 위상 및 크기 제어기들(46)이 송신된 신호들에 대한 제2 세트의 위상들 및/또는 크기들을 생성하도록 조정되는 경우, 송신된 신호들은 포인트 B의 방향으로 배향되는 빔 B2에 의해 도시된 바와 같은 송신 빔을 형성할 것이다. 유사하게, 위상 및 크기 제어기들(46)이 제1 세트의 위상들 및/또는 크기들을 생성하도록 조정되는 경우, 무선 주파수 신호들(예를 들어, 수신 빔 내의 무선 주파수 신호들)은 빔 B1에 의해 도시된 바와 같이, 포인트 A의 방향으로부터 수신될 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)이 제2 세트의 위상들 및/또는 크기들을 생성하도록 조정되는 경우, 무선 주파수 신호들은 빔 B2에 의해 도시된 바와 같이, 포인트 B의 방향으로부터 수신될 수 있다.
각각의 위상 및 크기 제어기(46)는 도 3의 제어 회로부(14)로부터 수신되는 대응하는 제어 신호(44)에 기초하여 원하는 위상 및/또는 크기를 생성하도록 제어될 수 있다(예를 들어, 위상 및 크기 제어기(46-1)에 의해 제공되는 위상 및/또는 크기는 제어 신호(44-1)를 사용하여 제어될 수 있고, 위상 및 크기 제어기(46-2)에 의해 제공되는 위상 및/또는 크기는 제어 신호(44-2)를 사용하여 제어될 수 있는 등임). 원하는 경우, 제어 회로부(14)는 송신 또는 수신 빔을 시간의 흐름에 따라 상이한 원하는 방향들로 조향하기 위해 실시간으로 제어 신호들(44)을 능동적으로 조정할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은, 원하는 경우, 수신된 신호들의 위상을 식별하는 정보를 제어 회로부(14)에 제공할 수 있다.
밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행하는 경우, 무선 주파수 신호들은 위상 안테나 어레이(48)와 외부 물체 사이의 가시선 경로를 통해 전달된다. 외부 물체가 도 5의 포인트 A에 위치되는 경우, 위상 및 크기 제어기들(46)은 (예를 들어, 신호 빔의 포인팅 방향을 포인트 A를 향해 조향하기 위해) 포인트 A를 향해 신호 빔을 조향하도록 조정될 수 있다. 위상 안테나 어레이(48)는 포인트 A를 향해 무선 주파수 신호들을 송신할 수 있고, 포인트 A에서 외부 물체로부터 반사된 송신된 신호들의 반사된 버전을 수신할 수 있다. 이어서, 제어 회로부(14)(도 3)는 송신 및 수신된 신호들을 프로세싱하여 포인트 A에서 위상 안테나 어레이(48)와 외부 물체 사이의 거리(범위)를 식별할 수 있다. 제어 회로부(14)는 외부 물체의 공간적 위치를 정확히 찾기(pinpoint) 위해(예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)와 외부 물체 사이의 거리 및 외부 물체와 위상 안테나 어레이(48) 사이의 가시선 경로의 포인팅 각도 둘 모두를 식별하기 위해) 무선 주파수 신호들을 송신 및 수신하는 동안 위상 안테나 어레이(48)가 조향된 방식에 관한 정보를 사용할 수 있다.
유사하게, 외부 물체가 포인트 B에 위치되는 경우, 위상 및 크기 제어기들(46)은 (예를 들어, 신호 빔의 포인팅 방향을 포인트 B를 향해 조향하기 위해) 포인트 B를 향해 신호 빔을 조향하도록 조정될 수 있다. 위상 안테나 어레이(48)는 포인트 B를 향해 무선 주파수 신호들을 송신할 수 있고, 포인트 B에서 외부 물체로부터 반사된 송신된 신호들의 반사된 버전을 수신할 수 있다. 이들 신호들은 둘 모두 프로세싱되어 포인트 B에서 외부 물체의 위치를 식별할 수 있다.원하는 경우, 제어 회로부(14)(도 3)는 위상 및 크기 제어기들(46)을 제어하여 공간 레인징 동작들을 수행하기 위한 무선 주파수 신호들을 송신 및 수신하는 동안 상이한 빔 방향들을 훑도록(sweep over) 할 수 있다. 이는 외부 물체들이 위상 안테나 어레이(48)에 대해 이동하는 경우에도, 제어 회로부(14)가 시간의 흐름에 따라 하나 이상의 외부 물체들의 위치를 식별하고 추적하게 할 수 있다. 도 5의 예에서, 빔 조향은 단순화를 위해 단일의 자유도에 걸쳐(예를 들어, 도 5의 페이지 상의 좌우를 향해) 수행되는 것으로 도시된다. 그러나, 실제로, 빔은 2개 이상의 자유도들에 걸쳐(예를 들어, 3차원에서, 도 5의 페이지 내외로 그리고 도 5의 페이지 상의 좌우로) 조향될 수 있다.
도 6은 디바이스(10)가 밀리미터파 및/또는 센티미터파 주파수들에서 무선 주파수 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행할 수 있는 방식을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 디바이스(10) 상의 회로부(예를 들어, 도 3의 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28))는 무선 주파수 레인징 신호들(54)을 송신하기 위해 하나 이상의 위상 안테나 어레이들(48)을 사용할 수 있다. 무선 주파수 레인징 신호들(54)은 위상 안테나 어레이(48)에 의해 밀리미터파 또는 센티미터파 주파수로 송신될 수 있다. 무선 주파수 레인징 신호들(54)은 밀리미터파 또는 센티미터파 주파수들에서의 펄스들 또는 다른 미리결정된 신호들(예를 들어, RADAR 프로토콜 또는 다른 범위 또는 물체 검출 프로토콜에 기초하여 생성되는 펄스들)의 시퀀스(예를 들어, 시리즈)를 포함할 수 있다.
이어서, 디바이스(10)는 디바이스(10) 부근(예를 들어, 디바이스(10)의 가시선 내)의 외부 물체로부터 반사된 송신된 무선 주파수 레인징 신호들(54)의 반사된 버전의 수신을 기다릴 수 있다. 도 6의 예에서, 송신된 무선 주파수 레인징 신호들(54)은 반사된 신호(56)로서 외부 물체(50)로부터 반사된다. 위상 안테나 어레이(48)를 사용하여 반사된 신호들(56)을 수신하는 경우, 디바이스(10) 상의 회로부(예를 들어, 도 3의 제어 회로부(14))는 송신된 무선 주파수 레인징 신호들(54)(예를 들어, 송신된 신호들 내의 펄스들의 시퀀스)을 수신된 반사된 신호들(56)(예를 들어, 수신된 신호들 내의 펄스들의 시퀀스)과 비교하여 디바이스(10)와 외부 물체(50) 사이의 거리 R1을 식별할 수 있다. 제어 회로부는 송신된 무선 주파수 레인징 신호들(54)과 수신된 반사된 신호들(56) 사이의 시간 지연뿐만 아니라 공기를 통한 신호들의 공지된 전파 속도에 기초하여 거리 R1을 식별할 수 있다. 펄스들의 시퀀스는, 예를 들어, 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)가, 임의의 주어진 수신된 신호가 디바이스(10)에서 수신된 일부 다른 신호 대신의, 송신된 무선 주파수 레인징 신호들(54)의 반사된 버전임을 식별하도록 허용할 수 있다(예를 들어, 펄스들의 시퀀스는, 반사된 신호들에 대해, 송신된 무선 주파수 레인징 신호들 내의 펄스들의 공지된 시퀀스와 동일할 것이기 때문이다)
원하는 경우, 디바이스(10)는 무선 주파수 레인징 신호들(54)의 공지된 포인팅 각도 및 반사된 신호들(56)과 식별된 거리(예를 들어, 거리 R1)의 조합을 사용하여 외부 물체(50)의 2차원 또는 3차원 공간 위치(예를 들어, 디바이스(10) 부근의 외부 물체(50)에 대한 X, Y, 및/또는 Z 좌표)를 결정할 수 있다. 이러한 동작들은 시간의 흐름에 따라 디바이스(10)에 대한 외부 물체(50)의 위치를 추적하기 위해 반복될 수 있다.
원하는 경우, 디바이스(10)는 이러한 방식으로 디바이스(10)에 대한 다수의 외부 물체들의 위치를 추적할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 무선 주파수 레인징 신호들(54') 및 반사된 신호들(56')은 디바이스(10)와 추가적인 외부 물체(52) 사이의 거리 R2를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 디바이스(10)는 외부 물체(52)의 공간 위치를 결정하기 위해 무선 주파수 레인징 신호들(54')의 공지된 포인팅 각도 및 반사된 신호들(56')과 거리 R2의 조합을 사용할 수 있다. 이러한 동작들은 시간의 흐름에 따라 외부 물체(52)의 위치를 추적하기 위해 반복될 수 있다.
하나의 적합한 배열에서, 위상 안테나 어레이(48) 내의 제1 세트의 안테나들이 무선 주파수 레인징 신호들(54 및 54')을 송신하기 위해 사용될 수 있고, 위상 안테나 어레이(48) 내의 제2 세트의 안테나들이 반사된 신호들(56 및 56')를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 동일한 안테나들이 무선 주파수 레인징 신호들을 송신하고 반사된 신호들을 수신하는 것 둘 모두를 하기 위해 사용될 수 있다. 일부 시나리오들에서, 위상 안테나 어레이(48)는 비교적 좁은 대역폭들(예를 들어, 1 ㎓ 미만의 대역폭들)에서만 동작할 필요가 있다. 그러나, 공간 레인징 동작들을 최적화하기 위해, 위상 안테나 어레이(48)를 사용하여 더 큰 대역폭을 지원할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
임의의 원하는 안테나 구조물들이 위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 주의를 기울이지 않으면, 위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들은 만족스러운 공간 레인징 동작들을 수행하기에 불충분한 대역폭을 나타낼 수 있다. 때때로 본 명세서에 예로서 기술되는 하나의 적합한 배열에서, 적층된 패치 안테나 구조물들이 위상 안테나 어레이(48) 내의 안테나들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 적층된 패치 안테나 구조물들은 위상 안테나 어레이(48)가 공간 레인징 동작들을 최적화하기에 충분히 넓은 대역폭을 나타내도록 허용할 수 있다. 위상 안테나 어레이(48)에 사용될 수 있는 예시적인 적층된 패치 안테나 구조물들이 도 7에 도시되어 있다.
도 7의 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 위상 안테나 어레이(48)(도 5 및 도 6)의 각각의 안테나(30)(도 3 내지 도 5)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 접지 평면(64)과 같은 안테나 접지 평면으로부터 분리되고 그에 평행한 패치 안테나 공진 요소(60)를 포함할 수 있다. 패치 안테나 공진 요소(60)는 때때로 본 명세서에서 패치(60), 패치 요소(60), 패치 공진 요소(60), 안테나 공진 요소(60), 또는 공진 요소(60)로 지칭될 수 있다. 접지 평면(64)은 패치 요소(60)의 평면에 평행한 평면 내에 놓일 수 있다. 따라서, 패치 요소(60) 및 접지 평면(64)은 거리(66)만큼 분리된 별개의 평행 평면들에 놓일 수 있다. 패치 요소(60) 및 접지 평면(64)은 세라믹 기판, 강성 인쇄 회로 보드 기판, 또는 가요성 인쇄 회로 보드 기판(명료함을 위해 도 7의 예에 도시되지 않음)과 같은 유전체 기판 상에 패턴화되는 전도성 트레이스들로부터 형성될 수 있다.
패치 요소(60)의 측부들의 길이는 적층된 패치 안테나 구조물들(58)이 원하는 동작 주파수에서 공진하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 패치 요소(60)의 측부들은 각각 적층된 패치 안테나 구조물들(58)에 의해 전달되는 신호들의 파장의 절반(예를 들어, 패치 요소(60)를 둘러싸는 재료들의 유전 특성들을 고려한 유효 파장)과 대략 동일한 길이(72)를 가질 수 있다.
도 7의 예는 단지 예시적일 뿐이다. 패치 요소(60)는 패치 요소(60)의 모든 측부들이 동일한 길이인 정사각형 형상을 가질 수 있거나, 또는 상이한 직사각형 형상을 가질 수 있다. 패치 요소(60)는 임의의 원하는 수의 직선 및/또는 곡선 에지들을 갖는 다른 형상들로 형성될 수 있다. 원하는 경우, 패치 요소(60) 및 접지 평면(64)은 상이한 형상들 및 상대 배향들을 가질 수 있다.
적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 패치 요소(60)에 결합되는 포지티브 안테나 급전 단자(36) 및 접지 평면(64)에 결합되는 접지 안테나 급전 단자(38)를 사용하여 급전될 수 있다. 무선 주파수 송신 라인(예를 들어, 도 4의 무선 주파수 송신 라인(32))은 포지티브 안테나 급전 단자(36) 및 접지 안테나 급전 단자(38)에 결합될 수 있다. 패치 요소(60)는 (예를 들어, 패치 요소(60)의 임피던스를 무선 주파수 송신 라인의 임피던스에 매칭시키기 위해) 포지티브 안테나 급전 단자(36)에 결합되는 패치 요소(60)의 측부에 임피던스 정합 노치들(70)을 포함할 수 있다.
도 7의 예에서, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 단일 편광을 사용하여 무선 주파수 신호들만을 전달한다. 원하는 경우, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)에는 다수의 편광들(예를 들어, 직교 수평 및 수직 편광들, 원형 편광들, 타원형 편광들 등)을 커버하기 위한 다수의 급전들이 제공될 수 있다.
주의를 기울이지 않으면, 패치 요소(60)는 관심 주파수 대역(예를 들어, 10 ㎓ 초과의 주파수들에서의 주파수 대역)의 전체를 커버하기에 자체적으로 불충분한 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)(도 5 및 도 6)가 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 밀리미터파 주파수 대역을 커버하도록 구성되는 시나리오들에서, 패치 요소(60)는 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수 범위 전체를 커버하기에 자체적으로 불충분한 대역폭을 가질 수 있다. 안테나들(30)(도 3 내지 도 5), 그리고 그에 따라 위상 안테나 어레이(48)(도 5 및 도 6)의 대역폭을 최대화하기 위해, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 안테나의 대역폭을 확장시키는 역할을 하는 하나 이상의 기생 안테나 공진 요소들을 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기생 안테나 공진 요소(62)와 같은 대역폭 확장 기생 안테나 공진 요소는 패치 요소(60) 위에 거리(68)를 두고 위치된 전도성 구조물들로부터 형성될 수 있다. 기생 안테나 공진 요소(62)는 때때로 본 명세서에서 기생 공진 요소(62), 기생 안테나 요소(62), 기생 요소(62), 기생 패치(62), 기생 전도체(62), 기생 구조물(62), 기생(62), 또는 패치(62)로 지칭될 수 있다. 기생 요소(62)는 직접 급전되지 않는 반면, 패치 요소(60)는 포지티브 안테나 급전 단자(36) 및 접지 안테나 급전 단자(38)를 통해 직접 급전된다. 기생 요소(62)는 패치 요소(60)에 의해 발생되는 전자기장의 보강 섭동을 생성하여, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)에 대한 새로운 공진을 생성할 수 있다(예를 들어, 기생 요소(62)는 패치 요소(60)의 길이(72)보다 크거나 작은 길이를 가질 수 있다). 이는 (예를 들어, 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 전체 밀리미터파 주파수 대역을 커버하기 위해) 적층된 패치 안테나 구조물들(58)의 전체 대역폭을 확장시키는 역할을 할 수 있다.
기생 요소(62)의 적어도 일부 또는 전체가 패치 요소(60)와 중첩될 수 있다. 원하는 경우, 기생 요소(62)는 십자 형상 또는 "X" 형상을 가질 수 있다. 십자 형상을 형성하기 위해, 기생 요소(62)는 정사각형 또는 직사각형 금속 패치의 코너들로부터 전도성 재료를 제거함으로써 형성되는 노치들 또는 슬롯들을 포함할 수 있다. 십자 형상을 형성하기 위해 기생 요소(62)로부터 전도성 재료를 제거하는 것은, 패치 요소(60)의 임피던스와 대응하는 무선 주파수 송신 라인이 매칭되도록 패치 요소(60)의 임피던스를 조정하는 역할을 할 수 있다. 원하는 경우, 기생 요소(106)는 다른 형상들 또는 배향들(예를 들어, 직사각형 형상, 정사각형 형상, 또는 직선형 및/또는 곡선형 에지들을 갖는 다른 형상들)을 가질 수 있다.
원하는 경우, 도 7의 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 유전체 기판(명료함을 위해 도 7에 도시되지 않음) 상에 형성될 수 있다. 유전체 기판은, 예를 들어, 강성 인쇄 회로 보드, 가요성 인쇄 회로, 세라믹 기판, 또는 다른 유전체 기판일 수 있다. 유전체 기판은 다수의 적층된 유전체 층들(예를 들어, 인쇄 회로 보드 기판의 다수의 층들, 예컨대, 유리섬유 충전 에폭시의 다수의 층들, 세라믹 기판의 다수의 층들 등)을 포함할 수 있다. 접지 평면(64), 패치 요소(60), 및 기생 요소(62)는 유전체 기판의 상이한 층들 상에 형성될 수 있다.
이러한 방식으로 구성되는 경우, 적층된 패치 안테나 구조물들(58)은 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수 대역과 같은 관심 대상의 비교적 넓은 밀리미터파 통신 대역을 커버할 수 있다. 도 8은 적층된 패치 안테나 구조물들(58)(도 7)을 사용하여 구현되는 위상 안테나 어레이(48)(도 5 및 도 6) 내의 안테나들(30)(도 3 내지 도 5)에 대한 주파수의 함수로서의 안테나 성능(안테나 효율)의 플롯이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 안테나들은 제1 주파수(예를 들어, 57 ㎓)로부터 제2 주파수(예를 들어, 61 ㎓)까지 비교적 높은 대역폭(예를 들어, 임계 효율(TH)보다 큰 안테나 효율)을 나타낼 수 있다. 도 7의 기생 요소(62)의 부재 시, 안테나들은 훨씬 더 낮은 대역폭(예를 들어, 1 ㎓ 이하)을 나타낼 것이다. 도 7의 기생 요소(62)의 존재 시, 안테나들은 비교적 높은 대역폭(예를 들어, 1 ㎓ 초과, 2 ㎓ 초과, 5 ㎓ 초과, 1 ㎓ 내지 5 ㎓, 1 ㎓ 내지 7 ㎓ 등)을 나타낼 수 있다. 이러한 방식으로, 위상 안테나 어레이의 대역폭은 디바이스(10)에 대한 하나 이상의 외부 물체들(예를 들어, 도 6의 외부 물체들(50 및 52))을 추적하기 위해 사용되는 공간 레인징 동작들을 최적화하도록 최대화될 수 있다. 도 8의 예는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로 안테나들은 임의의 원하는 밀리미터파 및/또는 센티미터파 주파수들에 걸쳐 연장되는 임의의 원하는 형상의 안테나 효율 곡선들을 나타낼 수 있다.
도 9는 무선 회로부(24)가 (예를 들어, 다중 입력 다중 출력(MIMO) RADAR 스킴을 사용하여) 무선 주파수 레인징 신호들을 송신 및 수신하기 위해 위상 안테나 어레이(48) 내의 상이한 세트들의 안테나들을 사용할 수 있는 방식을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 무선 회로부(24)는 무선 주파수 집적 회로 칩(radio-frequency integrated circuit chip, RFIC)(74)을 포함할 수 있다. RFIC(74)는 밀리미터파/센티미터파 송수신기 회로부(28)(도 3) 및 위상 안테나 어레이(48)에 대한 위상 및 크기 제어기들(46)(도 5)과 같은 무선 주파수 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
위상 안테나 어레이(48)는 MIMO RADAR 스킴을 사용하여 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 구성되는 경우, 위상 안테나 어레이(48)는 무선 주파수 신호들을 송신하기 위해서만 사용되는 안테나들(30)(도 3 내지 도 5)의 세트(76)(때때로 본 명세서에서 송신 안테나들(30TX)로 지칭됨) 및 무선 주파수 신호들을 수신하기 위해서만 사용되는 안테나들(30)의 세트(78)(때때로 본 명세서에서 수신 안테나들(30RX)로 지칭됨)을 포함할 수 있다. 송신 안테나들(30TX) 및 수신 안테나들(30RX)은 각각 충분히 넓은 대역폭(예를 들어, 57 ㎓ 내지 61 ㎓)을 커버하기 위해 도 7의 적층된 패치 안테나 구조물들(58)을 사용하여 구현될 수 있다. 도 7의 적층된 패치 안테나 구조물들(58)을 사용하여 형성된 송신 안테나들(30TX) 및 수신 안테나들(30RX)은 때때로 본 명세서에서 적층된 패치 안테나들로 지칭될 수 있다.
각각의 송신 안테나(30TX)는 각자의 무선 주파수 송신 라인들(32)을 통해 RFIC(74)의 대응하는 송신 포트(80TX)에 결합될 수 있다. RFIC(74)는 각각의 송신 포트(80TX)에 결합되는 대응하는 위상 및 크기 제어기(46)(도 5)를 포함할 수 있다. 각각의 수신 안테나(30RX)는 각자의 무선 주파수 송신 라인들(32)을 통해 RFIC(74)의 대응하는 수신 포트(80RX)에 결합될 수 있다. RFIC(74)는 각각의 수신 포트(80RX)에 결합되는 대응하는 위상 및 크기 제어기(46)(도 5)를 포함할 수 있다. 일례로서 본 명세서에 기술되는 하나의 적합한 배열에서, 세트(76)는 3개의 송신 안테나들(30TX)을 포함하는 반면, 세트(78)는 4개의 수신 안테나들(30RX)을 포함한다. 이는 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우, 다른 수의 송신 및 수신 안테나들이 사용될 수 있다.
세트(76)의 각각의 송신 안테나(30TX)는 세트(76)의 하나 이상의 인접한(이웃한) 송신 안테나들(30TX)로부터 거리(2λ)만큼 분리될 수 있다. 거리(2λ)는 위상 안테나 어레이(48)의 동작 파장(λ)의 2배일 수 있다(예를 들어, 여기서 동작 파장(λ)은 위상 안테나 어레이(48)를 형성하는 데 사용된 기판의 유전 상수에 의해 대응하는 자유 공간 파장으로부터 수정된 유효 동작 파장임). 동작 파장(λ)은 위상 안테나 어레이(48)에 의해 커버되는 주파수 대역의 중심에, 또는 위상 안테나 어레이(48)에 의해 커버되는 주파수 대역 내의 임의의 다른 원하는 주파수들에 놓이도록 선택될 수 있다(예를 들어, 동작 파장(λ)은 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 임의의 원하는 주파수와 대응하도록 선택될 수 있다.
세트(78)의 각각의 수신 안테나(30RX)는 세트(78)의 하나 이상의 인접 수신 안테나들(30RX)로부터 거리(λ/2)(예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)의 동작 파장의 절반 또는 송신 안테나들(30TX)을 분리시키는 거리의 1/4)만큼 분리될 수 있다. 이러한 방식으로 위상 안테나 어레이(48)를 구성하는 것은, 예를 들어, RFIC(74)가 수신 안테나들(30RX)에 의해 수신된 신호들을 컨볼빙(convolve)하게 하여, 위상 안테나 어레이(48)에 물리적으로 존재하는 것보다 더 많은 수신 안테나들을 갖는 수신 안테나들의 가상 어레이를 생성할 수 있다. 이는, 예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)의 고정된 물리적 크기를 고려할 때 위상 안테나 어레이(48)에 의해 얻어진 공간 해상도를 최적화할 수 있다.
무선 회로부(24)는 공간 레인징 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, RFIC(74)는 송신 포트들(80TX) 및 송신 안테나들(30TX)을 통해 무선 주파수 레인징 신호들(예를 들어, 도 6의 무선 주파수 레인징 신호들(54 또는 54'))을 송신할 수 있다. 대응하는 반사된 신호들(예를 들어, 도 6의 반사된 신호들(56 또는 56'))은 수신 안테나들(30RX) 및 수신 포트들(80RX)을 통해 RFIC(74)에 의해 수신될 수 있다. 제어 회로부(14)(도 3)는 송신 및 수신된 신호들을 프로세싱하여 디바이스(10)에 대한 하나 이상의 외부 물체들(예를 들어, 도 6의 외부 물체들(50 및 52))의 위치를 식별 및 추적할 수 있다. 도 7의 적층된 패치 안테나 구조물들(58)을 사용하여 송신 안테나들(30TX) 및 수신 안테나들(30RX)을 형성하는 것(예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)를 1 ㎓ 초과의 대역폭에서 동작하도록 구성하는 것)은, 예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)가 1 ㎓ 미만의 대역폭을 갖는 시나리오들에 대해 주파수가 변화됨에 따라 위상 안테나 어레이(48)의 보어사이트 빔(boresight beam)의 바람직하지 않은 기울어짐을 제한한다.
도 9의 송신 안테나들(30TX) 및 수신 안테나들(30RX)이 모두 위상 안테나 어레이(48)의 단일 행 내에 형성되기 때문에, 위상 안테나 어레이(48)에 의해 처리되는 신호들의 빔은 비교적 넓을 수 있다. 신호들의 빔을 추가로 집속하기(좁히기)(focus (narrow)) 위해, 위상 안테나 어레이(48)는 다수의 동위상 송신 안테나들(30TX)의 열들 및 다수의 동위상 수신 안테나들(30RX)의 열들을 포함할 수 있다. 도 10은 위상 안테나 어레이(48)가 다수의 동위상 송신 안테나들(30TX)의 열들 및 다수의 동위상 수신 안테나들(30RX)의 열들을 포함할 수 있는 방식을 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 각각의 송신 안테나(30TX)는 동위상 송신 안테나들(30TX)의 대응하는 열(84)에 위치될 수 있다. 유사하게, 각각의 수신 안테나(30RX)는 동위상 수신 안테나들(30RX)의 대응하는 열(86)에 위치될 수 있다. 도 10의 예에서, 송신 안테나들(30TX)의 각각의 열(84)은 4개의 송신 안테나들(30TX)을 포함하고, 수신 안테나들(30RX)의 각각의 열(86)은 4개의 수신 안테나들(30RX)을 포함한다. 이는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로 열들(86 및 84)은 임의의 원하는 수의 안테나들을 포함할 수 있다.
송신 안테나들(30TX)의 각각의 열(84)은 동일한(공유된) 무선 주파수 송신 라인(32)을 통해 RFIC(74)의 동일한 송신 포트(80TX)에 결합될 수 있다. 유사하게, 수신 안테나들(30RX)의 각각의 열(86)은 동일한(공유된) 무선 주파수 송신 라인(32)을 통해 RFIC(74)의 동일한 수신 포트(80RX)에 결합될 수 있다. 주어진 송신 포트(80TX)를 통해 송신되는 무선 주파수 레인징 신호들은 그 송신 포트(80TX)에 결합된 대응하는 열(84) 내의 각각의 송신 안테나(30TX)에 동일한 위상 및 크기로 제공될 수 있다(예를 들어, 각각의 열(84) 내의 송신 안테나들(30TX)은 동일한 수신 포트(80RX) 및 도 5의 동일한 위상 및 크기 제어기(46)를 공유하기 때문임). 각각의 송신 안테나(30TX)는 동일한 열(84) 내의 하나 또는 두 개의 인접한 송신 안테나들(30TX)로부터 무선 주파수 송신 라인(32)의 대응하는 세그먼트(82)에 의해 분리될 수 있다. 세그먼트들(82)은 주어진 열(84)에 제공되는 무선 주파수 레인징 신호들이 그 열(84) 내의 각각의 송신 안테나(30TX)의 위치에서 동위상이 되도록 선택된 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 세그먼트들(82)은 각각 대략 λ/2와 동일한 길이를 가질 수 있다.
유사하게, 각각의 수신 안테나(30RX)는 동일한 열(86) 내의 하나 또는 두 개의 인접한 수신 안테나들(30RX)로부터 무선 주파수 송신 라인(32)의 대응하는 세그먼트(82)에 의해 분리될 수 있다. 세그먼트들(82)은 반사된 신호들(예를 들어, 도 6의 반사된 신호들(56 또는 56'))이 주어진 열(86)로부터 그 열(86) 내의 각각의 수신 안테나(30RX)로부터 대응하는 수신 포트(80RX)에 동위상으로 제공되도록 선택된 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 위상 안테나 어레이(48)의 세트(78)의 세그먼트들(82)은 각각 대략 λ/2와 동일한 길이를 가질 수 있다. 이러한 방식으로 위상 안테나 어레이(48)의 다수의 행들에 걸쳐 송신 안테나들(30TX) 및 수신 안테나들(30RX)을 분배함으로써, 위상 안테나 어레이(48)에 의해 처리되는 신호 빔은 위상 안테나 어레이(48)가 단일 행의 안테나들만을 포함하는 시나리오에서보다 더 집속될 수(좁혀질 수) 있다.
일 실시예에 따르면, 장치가 제공되며, 장치는 송신 포트들 및 수신 포트들을 갖는 무선 주파수 집적 회로, 위상 안테나 어레이 - 위상 안테나 어레이는 송신 포트들에 결합되는 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 - 무선 주파수 집적 회로는 송신 포트들 및 제1 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여 밀리미터파 신호들을 송신하도록 구성됨 -, 및 수신 포트들에 결합되는 제2 세트의 적층된 패치 안테나들 - 무선 주파수 집적 회로는 수신 포트들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여 밀리미터파 신호들을 수신하도록 구성됨 - 을 포함함 -, 및 송신 및 수신된 밀리미터파 신호들에 기초하여 공간 레인징 동작들을 수행하도록 구성된 제어 회로부를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 접지 평면, 접지 평면과 중첩되는 패치 요소, 패치 요소에 결합되는 제1 안테나 급전 단자, 접지 평면에 결합되는 제2 안테나 급전 단자 및 패치 요소와 중첩되는 기생 요소를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 패치 요소는 임피던스 정합 노치들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 기생 요소는 직사각형 금속 패치를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 유전체 기판에 내장(embed)된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 1 ㎓ 초과의 대역폭을 커버하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수 대역에서 방사하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 위상 안테나 어레이의 단일 행에 위치된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들은 다수의 동위상 적층된 패치 안테나들의 제1 세트의 열들을 포함하고, 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 다수의 동위상 적층된 패치 안테나들의 제2 세트의 열들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 무선 주파수 집적 회로는 제1 세트의 열들 및 제2 세트의 열들의 각각의 열에 결합되는 각자의 위상 및 크기 제어기를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 수신된 밀리미터파 신호들은, 외부 물체로부터 반사된, 송신된 밀리미터파 신호들의 반사된 버전을 포함하고, 제어 회로부는 송신 및 수신된 밀리미터파 신호들에 기초하여 외부 물체의 위치를 추적하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 각각의 적층된 패치 안테나는, 제1 세트의 적어도 하나의 다른 적층된 패치 안테나로부터, 위상 안테나 어레이의 유효 동작 파장의 2배만큼 분리되고, 제2 세트의 각각의 적층된 패치 안테나는, 제2 세트의 적어도 하나의 다른 적층된 패치 안테나로부터, 위상 안테나 어레이의 유효 동작 파장의 1/2 만큼 분리된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 적층된 패치 안테나들은 3개의 적층된 패치 안테나들을 포함하고, 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 4개의 적층된 패치 안테나들을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 전자 디바이스가 제공되며, 전자 디바이스는 송신 포트들 및 수신 포트들을 갖는 집적 회로 칩, 위상 안테나 어레이 - 위상 안테나 어레이는 송신 포트들에 결합되는 송신 안테나들 - 송신 안테나들 및 송신 포트들은 1 ㎓ 초과의 대역폭을 사용하여 밀리미터파 레인징 신호들을 송신하도록 구성됨 - 및 수신 포트들에 결합되는 수신 안테나들 - 수신 안테나들 및 수신 포트들은 1 ㎓ 초과의 대역폭을 사용하여 반사된 밀리미터파 레인징 신호들을 수신하도록 구성됨 - 을 포함함 -, 및 제어 회로부를 포함하며, 제어 회로부는 송신된 밀리미터파 레인징 신호들 및 수신된 반사된 밀리미터파 레인징 신호들에 기초하여 공간 레인징 동작들을 수행하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 대역폭은 2 ㎓ 초과이다.
다른 실시예에 따르면, 송신 안테나들 및 송신 포트들은 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수들을 포함하는 주파수 대역에서 밀리미터파 레인징 신호들을 송신하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 송신 안테나들 각각은 적층된 패치 안테나 구조물들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 수신 안테나들 각각은 추가의 적층된 패치 안테나 구조물들을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 전자 디바이스가 제공되며, 전자 디바이스는 10 ㎓ 초과의 주파수에서 무선 주파수 레인징 신호들을 송신하도록 구성된 제1 세트의 안테나들 및 송신된 무선 주파수 레인징 신호들의 반사된 버전을 수신하도록 구성된 제2 세트의 안테나들을 갖는 위상 안테나 어레이 - 제1 세트의 안테나들 및 제2 세트의 안테나들의 각각의 안테나는 접지 평면, 접지 평면과 중첩되는 패치 안테나 공진 요소, 및 패치 안테나 공진 요소와 중첩되는 기생 패치를 포함함 -, 및 위상 안테나 어레이에 결합되는 제어 회로부를 포함하며, 제어 회로부는 제1 세트의 안테나들에 의해 송신된 무선 주파수 레인징 신호들 및 제2 세트의 안테나들에 의해 수신된 송신된 무선 주파수 레인징 신호들의 반사된 버전에 기초하여 장치와 외부 물체 사이의 거리를 식별하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 세트의 안테나들 및 제2 세트의 안테나들의 각각의 안테나는 1 ㎓ 초과의 대역폭을 커버하도록 구성되고, 제1 세트의 각각의 안테나는, 제1 세트의 적어도 하나의 다른 안테나로부터, 주파수에 대응하는 유효 동작 파장의 2배만큼 분리되고, 제2 세트의 각각의 안테나는, 제2 세트의 적어도 하나의 다른 안테나로부터, 유효 동작 파장의 1/2 만큼 분리된다.
전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 장치로서,
    송신 포트들 및 수신 포트들을 갖는 무선 주파수 집적 회로;
    위상 안테나 어레이 - 상기 위상 안테나 어레이는,
    상기 송신 포트들에 결합되는 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 - 상기 무선 주파수 집적 회로는 상기 송신 포트들 및 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여 밀리미터파 신호들을 송신하도록 구성됨 -, 및
    상기 수신 포트들에 결합되는 제2 세트의 적층된 패치 안테나들 - 상기 무선 주파수 집적 회로는 상기 수신 포트들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들을 사용하여 밀리미터파 신호들을 수신하도록 구성됨 - 을 포함함 -; 및
    상기 송신 및 수신된 밀리미터파 신호들에 기초하여 공간 레인징(spatial ranging) 동작들을 수행하도록 구성된 제어 회로부를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는
    접지 평면;
    상기 접지 평면과 중첩되는 패치 요소;
    상기 패치 요소에 결합되는 제1 안테나 급전(feed) 단자;
    상기 접지 평면에 결합되는 제2 안테나 급전 단자; 및
    상기 패치 요소와 중첩되는 기생 요소를 포함하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패치 요소는 임피던스 정합 노치들을 포함하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기생 요소는 직사각형 금속 패치를 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 유전체 기판에 내장(embed)되는, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 1 ㎓ 초과의 대역폭을 커버하도록 구성되는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수 대역에서 방사하도록 구성되는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들 및 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들의 각각의 적층된 패치 안테나는 상기 위상 안테나 어레이의 단일 행에 위치되는, 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들은 다수의 동위상(in-phase) 적층된 패치 안테나들의 제1 세트의 열들을 포함하고, 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 다수의 동위상 적층된 패치 안테나들의 제2 세트의 열들을 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 무선 주파수 집적 회로는 상기 제1 세트의 열들 및 상기 제2 세트의 열들의 각각의 열에 결합되는 각자의 위상 및 크기 제어기를 포함하는, 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수신된 밀리미터파 신호들은, 외부 물체로부터 반사된, 상기 송신된 밀리미터파 신호들의 반사된 버전을 포함하고, 상기 제어 회로부는 상기 송신 및 수신된 밀리미터파 신호들에 기초하여 상기 외부 물체의 위치를 추적하도록 구성되는, 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 각각의 적층된 패치 안테나는, 상기 제1 세트의 적어도 하나의 다른 적층된 패치 안테나로부터, 상기 위상 안테나 어레이의 유효 동작 파장의 2배만큼 분리되고, 상기 제2 세트의 각각의 적층된 패치 안테나는, 상기 제2 세트의 적어도 하나의 다른 적층된 패치 안테나로부터, 상기 위상 안테나 어레이의 상기 유효 동작 파장의 1/2 만큼 분리되는, 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 세트의 적층된 패치 안테나들은 3개의 적층된 패치 안테나들을 포함하고, 상기 제2 세트의 적층된 패치 안테나들은 4개의 적층된 패치 안테나들을 포함하는, 장치.
  14. 전자 디바이스로서,
    송신 포트들 및 수신 포트들을 갖는 집적 회로 칩;
    위상 안테나 어레이 - 상기 위상 안테나 어레이는,
    상기 송신 포트들에 결합되는 송신 안테나들 - 상기 송신 안테나들 및 상기 송신 포트들은 1 ㎓ 초과의 대역폭을 사용하여 밀리미터파 레인징 신호들을 송신하도록 구성됨 -, 및
    상기 수신 포트들에 결합되는 수신 안테나들 - 상기 수신 안테나들 및 상기 수신 포트들은 상기 1 ㎓ 초과의 대역폭을 사용하여, 반사된 밀리미터파 레인징 신호들을 수신하도록 구성됨 - 을 포함함 -; 및
    제어 회로부를 포함하며, 상기 제어 회로부는 상기 송신된 밀리미터파 레인징 신호들 및 상기 수신된 반사된 밀리미터파 레인징 신호들에 기초하여 공간 레인징 동작들을 수행하도록 구성되는, 전자 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 대역폭은 2 ㎓ 초과인, 전자 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 송신 안테나들 및 상기 송신 포트들은 57 ㎓ 내지 61 ㎓의 주파수들을 포함하는 주파수 대역에서 상기 밀리미터파 레인징 신호들을 송신하도록 구성되는, 전자 디바이스.
  17. 제14항에 있어서, 상기 송신 안테나들은 각각 적층된 패치 안테나 구조물들을 포함하는, 전자 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 수신 안테나들 각각은 추가의 적층된 패치 안테나 구조물들을 포함하는, 전자 디바이스.
  19. 전자 디바이스로서,
    10 ㎓ 초과의 주파수에서 무선 주파수 레인징 신호들을 송신하도록 구성된 제1 세트의 안테나들 및 상기 송신된 무선 주파수 레인징 신호들의 반사된 버전을 수신하도록 구성된 제2 세트의 안테나들을 갖는 위상 안테나 어레이 - 상기 제1 세트의 안테나들 및 상기 제2 세트의 안테나들의 각각의 안테나는 접지 평면, 상기 접지 평면과 중첩되는 패치 안테나 공진 요소, 및 상기 패치 안테나 공진 요소와 중첩되는 기생 패치를 포함함 -; 및
    상기 위상 안테나 어레이에 결합되는 제어 회로부를 포함하며, 상기 제어 회로부는 상기 제1 세트의 안테나들에 의해 송신된 상기 무선 주파수 레인징 신호들 및 상기 제2 세트의 안테나들에 의해 수신된 상기 송신된 무선 주파수 레인징 신호들의 상기 반사된 버전에 기초하여 상기 장치와 외부 물체 사이의 거리를 식별하도록 구성되는, 전자 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 세트의 안테나들 및 상기 제2 세트의 안테나들의 각각의 안테나는 1 ㎓ 초과의 대역폭을 커버하도록 구성되고, 상기 제1 세트의 각각의 안테나는, 상기 제1 세트의 적어도 하나의 다른 안테나로부터, 상기 주파수에 대응하는 유효 동작 파장의 2배만큼 분리되고, 상기 제2 세트의 각각의 안테나는, 상기 제2 세트의 적어도 하나의 다른 안테나로부터, 상기 유효 동작 파장의 1/2 만큼 분리되는, 장치.
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